Índice
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||1|| Introducción ||2|| Generalidades
del metabolismo ||3|| Bioenergética ||4|| Leyes
de la termodinámica ||5|| Tipos
de reacciones químicas y su importancia bioenergética ||6|| Portadores
de energía |
||7|| Fuentes
de energía ||8|| Algunos
catabolismos ||9|| Algunos
anabolismos ||10|| El
metabolismo secundario |
Portada
1. Introducción
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Metabolismo, sin duda una de aquellas
palabras tan imbuidas en la cultura popular, pero que al mismo tiempo nadie
entiende realmente. De cierta manera lo único se entiende es una noción de
velocidad, energía y biomasa aplicada a los deportes, las dietas y el
ejercicio. Sin embargo, el metabolismo es algo más complejo y se relaciona con
algo que la mayoría de las personas concibe como ferozmente complicado,
¡química!
La palabra metabolismo viene de la palabra
griega “metabolos” que significa “cambio”, en el contexto de las ciencias de la
naturaleza hace referencia al conjunto de reacciones químicas que mantienen a
los seres vivos, ya sean unicelulares o multicelulares (Karp, 2013).
1.1 Eduard Buchner
(20 de mayo de 1860 - 13 de agosto de
1917) fue un químico y zimólogo alemán, galardonado con el Premio Nobel de
Química en 1907 por su trabajo sobre la fermentación. Buchner nació en Munich
de un médico y Doctor Extraordinario en Medicina Forense. Su hermano mayor era
Hans Ernst August Buchner. En 1884, inició estudios de química con Adolf von
Baeyer y de botánica con Carl Nägeli, en el Instituto Botánico de Munich.
Después de un período de trabajo con Otto Fischer en la Universidad de
Erlangen, Buchner recibió un doctorado de la Universidad de Munich en 1888 con
Theodor Curtius.
Buchner recibió el Premio Nobel de Química
en 1907. El experimento por el que Buchner ganó el premio Nobel consistió en
producir un extracto libre de células de levadura y demostrar que este
"jugo" podía fermentar el azúcar. Esto asestó otro golpe al vitalismo
al mostrar que la presencia de células de levadura vivas no era necesaria para
la fermentación. El extracto libre de células se produjo combinando células de
levadura secas, cuarzo y tierra de diatomeas y luego pulverizando las células
de levadura con un mortero. Esta mezcla se volvería húmeda a medida que el
contenido de las células de levadura saliera de las células. Una vez que se
hizo este paso, la mezcla húmeda se pasaría a través de una prensa y al
"jugo" resultante se le añadió glucosa, fructosa o maltosa y se
observó que se desprendía dióxido de carbono, a veces durante días. La
investigación microscópica no reveló células de levadura vivas en el extracto.
Buchner planteó la hipótesis de que las células de levadura secretan proteínas
en su entorno para fermentar azúcares, pero más tarde se descubrió que la
fermentación se produce dentro de las células de levadura. Maria Manasseina
afirmó haber descubierto la fermentación de células libres una generación antes
que Buchner, pero Buchner y Rapp consideraron que ella estaba subjetivamente
convencida de la existencia de una enzima de fermentación, y que su evidencia experimental
no era convincente.
Buchner se casó con Lotte Stahl en 1900.
Al estallar la Primera Guerra Mundial se ofreció como voluntario y ascendió al
rango de Mayor al mando de una unidad de transporte de municiones en el frente
occidental y luego en el este. En marzo de 1916 regresó a la Universidad de
Wurzburg. En abril de 1917 se ofreció nuevamente como voluntario. El 11 de
agosto de 1917, mientras estaba destinado en Focșani, Rumania, fue alcanzado
por un fragmento de proyectil y murió dos días después. Murió en la batalla de
Mărășești y está enterrado en el cementerio de soldados alemanes de Focșani,
Rumania.
Aunque algunos creen que el matraz Büchner
y el embudo Büchner llevan su nombre, en realidad llevan el nombre del químico
industrial Ernst Büchner.
Referencias:(Jaenicke, 2007; Ukrow &
Buchner, 1860)
2. Generalidades del metabolismo
2.1 Tipos de metabolismo
El metabolismo consta de una serie de
procesos, los principales son dos:
→ la conversión de
sustancias químicas complejas en energía química transportada por sustancias
simples y
→ la construcción de sustancias complejas por medio de la inversión de energía química.
Figura 2.1. Un metabolismo
involucra sustancias químicas que se convierten en otras por reacciones
químicas reguladas por enzimas producidas a su vez por los genes en el ADN.
Sin embargo también se involucran procesos
accesorias que en su conjunto obedecen a la transferencia de sustancia a través
de membranas como son (Chen, Li, & Ellington, 2007;
Gottschalk, 2012; Karp, 2013; Sadava, Berenbaum, & Hillis, 2014).:
→ la adquisición de
nutrientes solubles y gases
→ la remoción de desechos
solubles y gases tóxicos
Cada reacción química metabólica está
controlada por una enzima, la cual es un catalizador de origen biológico
construido por aminoácidos y que es altamente específica para un grupo de
reacciones muy semejante.
Tradicionalmente el metabolismo se
clasifica de acuerdo a las dos funciones basales, siendo este denominado
catabolismo o anabolismo.
→ El catabolismo es el
metabolismo de rompimiento, en el cual se tiene materia química compleja y se
rompe para extraer su energía a portadores energéticos (Hedström, Ljungqvist, &
Cederholm, 2006).
→ El anabolismo es el
opuesto, en el cual se tiene material para construir y se sacrifica energía
durante la síntesis de materia biológica compleja (Hedström et al., 2006).
Los dos tipos generales de metabolismos se
encuentran conectados entre sí por portadores de energía, los cuales son
sustancias químicas relativamente simples llamadas coenzimas que transportan la
energía de un metabolismo al otro según sea necesaria.
2.2 Rutas metabólicas
Las reacciones químicas del metabolismo se
encuentran organizadas en rutas de reacciones secuencias también conocidas como
rutas metabólicas. En una ruta metabólica un químico de entrada sufre diversas
transformaciones, en las que se transforma en intermediarios químicos hasta
obtener el producto requerido más desechos. Las enzimas y la concentración
relativa son cruciales para el control de las reacciones químicas. Las enzimas
pueden acelerar la velocidad neta de la reacción, haciendo que algunas
reacciones no espontáneas en términos prácticos produzcan suficientes
intermediarios químicos para sustentar otras reacciones vitales.
Figura 2.2. Las rutas
metabólicas que se estudian son solo un fragmento del proceso real, y aunque se
enseñan por separado, hay que tener en cuenta que todas están conectadas
directa o indirectamente, por lo que, al alterar una sustancia, altera a muchas
otras en un efecto dominó que genera enfermedades metabólicas graves como la
diabetes.
2.3 Acoplamiento enzimático
De esta manera podemos agrupar series de
reacciones en rutas metabólicas, las cuales poseen redes de reacciones químicas
catalizadas por enzimas. La evidencia estructural sugiere que las enzimas de
una ruta metabólica se encuentran físicamente interconectadas, lo que permite
que los productos intermedios de una reacción puedan ser entregados a la
siguiente enzima de manera eficiente para posteriores transformaciones.
YouTube. Los receptores
de membrana acoplados a proteínas G son receptores transmembranarios, la parte
externa es el dominio receptor que al acoplarse a un químico señal “hormona”,
provoca que el domino G genere una señal interna en la célula.
2.4 Compuestos e intermediarios
Los compuestos producidos en cada paso
intermedio se denominan intermediarios metabólicos o (metabolitos), los cuales
en sucesivas transformaciones general los productos. Los productos finales son
moléculas con roles importantes en la célula, como los aminoácidos, los
azucares o el ATP.
2.5 Equilibrio químico
La concentración relativa de los
intermediarios está mediada por las leyes del equilibrio químico, especialmente
el principio de Le Chatelier. Así, cuando se acumulan demasiados intermediarios
en una ruta metabólica esta se detiene espontáneamente, hasta que estos
intermediarios sean consumidos o extraídos del ambiente de reacción, lo mismo
ocurre con cualquier producto de reacciones metabólicas. Lo opuesto también es
cierto, si se acumulan muchos reactivos las reacciones se aceleran lo que puede
alterar los equilibrios metabólicos (Smith & Morowitz, 2004). Las rutas metabólicas en su conjunto forman redes metabólicas
complejas, en otras palabras, un sistema con propiedades emergentes como la
resiliencia. De esta manera la red puede responder de forma dinámica a las
sustancias externas e internas, e incluso soportar cambios bruscos,
provenientes del exterior o del interior hasta ciertos límites vitales (Fell & Wagner, 2000).
2.6 Redes o sistemas metabólicos
La red metabólica determina si una
sustancia puede clasificarse como una fuente de energía, como una toxina o como
un veneno, e incluso la misma sustancia puede cambiar de categoría dependiendo
de su cantidad relativa –o concentración –en un microambiente particular. Por
ejemplo, muchas bacterias pueden emplear el sulfuro de hidrógeno como
nutriente, pero para los animales es altamente venenoso (Fell & Wagner, 2000). Un detalle importante de las redes metabólicas es una reticencia
al cambio, existen tremendas similitudes entre las rutas metabólicas básicas de
todos los seres vivos, por lo que la escolarización del metabolismo ha estado
trazada siempre por unas pocas rutas como, por ejemplo: la glucólisis, el ciclo
de Krebs, las cadenas de transporte de electrones, las fermentaciones, y la
fotosíntesis. Esta similitud entre los metabolismos basales es una de las
evidencias más contundentes de la existencia de un ancestro común entre todos
los seres vivos que habían el planeta Tierra en la actualidad (Singh, 2015; Stairs, Leger, &
Roger, 2015).
2.7 Ecología del metabolismo
Los compuestos metabólicos son
importantes, no solo para el mantenimiento de la homeostasis corporal, también
pueden ser empleados como mecanismos de relación con otros seres vivos ya sea
de la misma especie o con otras especies. En este sentido dos categorías de
compuestos son importantes, las feromonas y los metabolitos secundarios. Las
feromonas son compuestos mensajeros que generalmente afectan a individuos de la
misma especie y generalmente se relacionan con el reconocimiento de la
receptividad sexual, mientras que los metabolitos secundarios pueden ser
empleados como venenos o disuasorias de mal sabor (Cushnie, Cushnie, & Lamb, 2014;
Davies, 2013; Seigler, 2012; Wink, 2013).
2.8 Relación con el concepto de vida
En términos de historia de la vida, el
metabolismo es uno de los conceptos clave a la hora de elaborar hipótesis sobre
el origen de la vida, debido a que los intermediarios metabólicos presentan un
problema de complejidad que debe desentrañarse de a pocos. En todo caso, es
importante conocer primero los fundamentos, para luego poder abarcar el
problema más grande, que es su origen último (Chen et al., 2007; Parmon, 2008;
Robertson & Joyce, 2012; Wächtershäuser, 1988).
3. Bioenergética
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Bioenergética es una palabra mal empleada
por estafadores y espiritistas, pero el punto es que aquí lo trabajaremos
exclusivamente desde el punto de vista de las ciencias de la naturaleza, y con esto no se quiere decir que
nosotros poseamos la verdad y ellos sean unos timadores –aunque esa sea mi
sospecha –lo que queremos decir es que a cada quien lo suyo.
La bioenergética hace referencia a como la
energía, sea esta proveniente del Sol o de los minerales de la corteza
terrestre, es canalizada por los seres vivos. Los seres bullen de energía, las
macromoléculas de todo tipo son ensambladas, los productos de desecho son
excretados, las instrucciones genéticas fluyen de una molécula a otra, las
vesículas son transportadas por proteínas que actúan como grúas. Para mantener
ese nivel de actividad las células deben adquirir energía. El estudio
científico de las transferencias y transformaciones de la energía en los seres
vivos se conoce como bioenergética.
Las relaciones entre estructura y función
son evidentes en todos los niveles biológicos, desde el nivel molecular hasta
el organísmico. En el capítulo anterior vimos que las proteínas tienen una
intrincada configuración tridimensional que condiciona su funcionamiento, la
cual depende de una secuencia de aminoácidos con cierta tolerancia a los
cambios, en donde algunos residuos son más determinantes que otros en la
conformación estructural. En este capítulo nos enfocaremos en la función química
de cierto grupo de proteínas denominadas enzimas, y como estas enzimas son
fundamentales en la organización de los seres vivos y aun así ser capaces de
cumplir con las leyes de la termodinámica sin tener que acudir a algún
principio vitalista. El único principio al que si hay que hacer referencia es
la energía útil que puede transferirse entre un estado químico a otro, la cual
es una fracción de la energía total, esta energía se conoce como la energía
libre de Gibbs.
Figura 3.1. La reacción
general de la fotosíntesis puede describirse como: 6H2O+6CO2+luz+proteínas→C6H12O6+6O2.
4. Leyes de la termodinámica
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La energía se define como la capacidad se realizar un trabajo mecánico, sin embargo, existen muchas formas energéticas que no necesariamente involucran un desplazamiento mecánico. La energía es un valor arbitrario que solo podemos señalar cuando hay un cambio, transferencia o transformación entre dos momentos diferentes. Intuitivamente podemos saber que dos cuerpos pueden transferir energía entre sí. El estudio de estas transferencias energéticas se conoce como termodinámica.
Figura 4.1. La ley cero de
la termodinámica está relacionada con el principio de difusión, la energía al
igual que las partículas se distribuyen hasta alcanzar el máximo equilibrio
posible, por eso un objeto caliente transfiere calor a objetos fríos hasta que
todos están en equilibrio. El aumento de equilibrio va aumentado con una
disminución de las predicciones que hacemos sobre el sistema, por lo que decimos
aumenta el desorden, lo cual es un ejemplo de la segunda ley.
La energía no puede definirse en sí misma,
por lo que en general tendemos a confundir su definición no definida
propiamente por los físicos hasta el día de hoy con los mecanismos de transporte
de energía, de esta forma aun en este texto tenderemos a emplear ambos
conceptos indistintamente debido a la facilidad de lenguaje y su uso general en
los libros de texto. De esta forma podemos afirmar que la energía posee
diferentes mecanismos de transferencia, entre los que podemos contar: el calor,
la electricidad, el magnetismo, la luz o radiación electromagnética, los
enlaces químicos, las uniones nucleares, el movimiento cinético entre otros. En
términos generales los flujos de energía en el universo están condicionados por
cuatro leyes generales, conocidas como las leyes de la termodinámica, las
cuales definiremos muy someramente a continuación:
4.1 Ley cero
La energía deberá fluir desde el cuerpo
más energético al menos energético hasta que se alcanza un punto de equilibrio,
momento en el cual la energía aparentará quedarse estática y los flujos
dependerán únicamente de variables mecánico cuánticas, pero que en la práctica
no serán relevantes. En términos del calor esto se traduce a que el calor solo
puede fluir desde el cuerpo caliente al cuerpo frio y nunca en sentido inverso
hasta que se alcanza el equilibrio térmico.
4.2 Primera ley
Establece que la energía total de un
sistema cerrado se forma perfecta es una constante que no puede crearse o
destruirse, solo fluir de un lugar más energético a potro. Esta ley tiene
diversas definiciones semánticas, por ejemplo, la de que la energía total del
universo es constante o que la energía no se crea ni se destruye, solo se
transforma. Para los seres vivos esta ley implica que la energía es un bien
limitado y que debe buscarse de forma externa.
4.3 Segunda ley
La segunda ley indica que, en una
transferencia energética, la energía no fluye perfectamente entre los cuerpos,
la energía se dividirá en dos partes, una que fluye al otro cuerpo y otra que
se pierde o disipa al universo conocido como caos entrópico o entropía. Toda
transferencia energética involucra un gasto entrópico, y de forma contraria,
las transferencias de energía más eficientes son las que disminuyen perdida
entrópica. El punto relevante es que siempre habrá unja perdida energética, y
que el nivel de entropía del universo en toda transferencia de energía
aumentará inexorablemente hasta la muerte térmica del universo.
4.4 Tercera ley
La tercera ley está relacionada a la
temperatura y a los flujos de energía, esta establece que es imposible tener un
cuerpo sin energía que posea una temperatura de cero absoluto. Esto se debe a
la combinación de las leyes cero y primera, para tener una disminución de
temperatura un cuerpo debe ceder la energía a otro, pero siempre quedará un
estado de equilibrio, por lo que el cuerpo que pretendemos enfriar siempre
terminará por poseer una energía remanente de equilibrio. A demás de esto
también está el hecho de que a niveles cuánticos la energía parece ir y venir
aleatoriamente produciéndose y aniquilándose. Aunque esto parece ir en contra
de la primera ley, el punto es que cuando se calcula la suma neta de energía a
niveles más grandes, la suma siempre es cero, por lo que no se creó o destruyó
netamente la energía, sin embargo, estas producciones cuánticas siempre
provocarían que el cuerpo tuviera una temperatura residual levemente superior
al cero absoluto. En resumen, es imposible llegar al cero absoluto.
4.5 Energía
libre de Gibbs
La energía libre de Gibbs nos representa la energía que no es consumida por el caos del universo o entropía, es lo que queda de utilidad y por eso se la llama libre, libre para hacer cosas. Es un potencial termodinámico, es decir, una función de estado extensiva con unidades de energía, que da la condición de equilibrio y de espontaneidad para una reacción química (a presión y temperatura constantes). Nuevamente las condiciones de equilibrio y espontaneidad dependen de los estados iniciales y finales de un sistema y siempre se grafican usando la analogía de la colina y la esfera.
Figura 4.2. En procesos liberadores de energía o catabólicos, es común que para liberar la energía libre de Gibbs, se tenga que invertir energía para activar las sustancias, semejante a la chispa que activa la explosión de la gasolina. La energía libre es toda la energía conducida a la actividad subsecuente que no se convierte en calor inútil.
Figura 4.3. Los productos
de las reacciones espontáneas tienen menos energía que la energía libre y la
energía de activación. En los procesos no espontáneos, los productos tienen más
energía ya que han sido activados. Una adecuada activación puede hacer que algo
no espontáneo se vuelva espontáneo.
Si el estado inicial tiene más energía y
el estado final menos energía, es como si se procediera cuesta abajo, siendo un
proceso espontáneo, cuya diferencia de energías será negativo. En base a esto
una energía libre negativa indica un proceso espontáneo como dejar caer una
esfera por una colina.
El proceso opuesto es cuando el estado
inicial tiene menos energía y el final posee más energía, es como subir la
colina y se requiere una adición de energía externo, por lo que es un proceso
no espontáneo y en esos casos la diferencia de energía libre es positivo.
Básicamente la energía que mencionamos constantemente en los procesos
metabólicos es la energía libre de Gibbs, ya que otras energías son consumidas
por el universo de forma ineficiente transformándose en calor y entropía
“caos”.
5. Tipos de reacciones químicas y su importancia bioenergética
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5.1 Reacciones espontáneas y no espontaneas
Las reacciones químicas espontáneas y no
espontáneas siguen el razonamiento de los cambios en la energía libre de Gibbs
o simplemente energía útil para la célula en nuestro contexto. Cuando observamos ciertas reacciones
químicas, podemos comprobar que no solo hay una transformación en la naturaleza
química de la especie reactante, también hay un cambio energético. Por ejemplo,
reacciones como la del gas del cloro y el sodio metálico son evidentemente
explosivas, y no falta ser un genio para señalar que liberan grandes cantidades
de energía. Otras reacciones como la electrolisis del agua, para producir gas
de oxígeno y de hidrógeno requiere invertir una gran cantidad de energía, en
este caso se dan una absorción energética. De esto podemos desprender una
clasificación de las reacciones en torno a sus necesidades energéticas.
5.2 Reacciones
exergónicas
Son aquellas que liberan energía, ya sea
en forma de luz, calor, electricidad o combinaciones de las anteriores y otras
más. Reacciones endergónicas: son aquellas que absorben energía, ya sea calor,
electricidad o luz. A parte de esto, si tomamos las leyes cero y segunda de la
termodinámica podemos decir que, dado que la energía tiende a dispersarse con
el tiempo, y que las reacciones exergónicas hacen precisamente eso, podemos
concluir que las reacciones exergónicas tenderán a ser espontáneas, se producen
naturalmente con más facilidad ya que tienen a cumplir con más fluidez las
leyes cero y segunda de la termodinámica.
5.3 Las
reacciones endergónicas
Son aquellas que tienden a acumular
energía, y aunque generalmente no son imposibles, si requieren de ciertas
condiciones para darse, en especial se requiere un donante de energía externo
al sistema químico. A este tipo de reacciones las denominamos generalmente no
espontáneas. De lo anterior obtenemos generalmente una relación directa: Las
reacciones exergónicas son generalmente espontaneas; mientras que las
reacciones endergónicas son generalmente no espontáneas.
5.4 Reacciones redox
Redox es un nombre que surge de la fusión
de otros dos más conocidos, la oxidación y la reducción. Todos conocemos
macroscópicamente que es una oxidación, pues hemos observado como el hierro en
contacto con el aire o el agua es oxidado, el producto es el óxido de hierro.
Pero ¿Qué es una oxidación? Recordemos que, el oxígeno es el segundo elemento
con mayor electronegatividad en la tabla periódica, por lo que tiene una gran
tendencia a atraer sus propios electrones así como los electrones de cualquier
otro elemento que se encuentre cerca de él (excepto por otro átomo de oxígeno y
por el átomo del flúor). De allí sabemos que el oxígeno despoja de electrones a
los otros átomos, y ese es precisamente el proceso de oxidación.
(1) Oxidación: Proceso de perdida de electrones (el elemento
se torna más positivo o menos negativo).
Figura 6.1. Ecuación oxidación.
(2) Reducción: Es el proceso de ganancia de electrones (el
elemento se torna más negativo o menos positivo).
Figura 6.2. Ecuación de reducción
(3) Redox: tanto la reducción como la oxidación ocurren de
manera acoplada y casi que simultánea, no puede existir una oxidación sin que
ocurra una reducción, tal como cuando alguien da, existe alguien que recibe.
Figura 6.3. Ecuación redox.
Agentes oxidantes: Son los
elementos o compuestos que despojan de electrones a otras sustancias y en el
proceso se reducen. El más común es el oxígeno y de allí el nombre, sin
embargo, existen otros, como el flúor que es aún más oxidante que el oxígeno.
Otros agentes oxidantes son sustancias con alta electronegatividad, como todos
los elementos halógenos.
Agentes reductores: Son los elementos que causan la reducción, en general son donadores
de electrones y poseen bajas electronegatividades. Los metales son casi siempre
agentes reductores. Debemos recordar que, agente oxidante y agente reductor se
adjudica comparando las electronegatividades, pues un mismo elemento puede ser
un agente oxidante en algunas reacciones y un agente reductor en otras. Como
nota adicional, prácticamente todas las reacciones de desplazamiento son
reacciones redox.
Reducciones y oxidaciones orgánicas: Si bien en sentido último todo
depende del flujo de electrones, existen métodos holísticos para evaluar el
estado de oxidación de una molécula orgánica como un todo y es mediante la
presencia de agentes reductores y agentes oxidantes. Una molécula orgánica se
oxida cuando pierde agentes reductores, gana agentes oxidantes o es degradada
“digerida” a compuestos más simples. De manera opuesta una molécula se reduce cuando
gana agentes reductores, pierde agentes oxidantes o su masa se incrementa por
adición de cadenas de carbonos. Los agentes reductores más comunes son
el hidrógeno y otras cadenas de carbono. Los agentes oxidantes más comunes con
el oxígeno y los grupos oxigenados, así como el flúor, el azufre o el
nitrógeno.
Otros elementos se los puede clasificar como oxidante o reductor
según se comporten como hidrógeno u oxígeno. Por ejemplo, los metales son
agentes reductores porque se comportan como el hidrógeno y los
halógenos/anfígenos restantes son agentes oxidantes.
5.8 Catabolismo y Anabolismo
Las rutas metabólicas pueden agruparse en
dos grupos generales que son opuestos y complementarios. Las rutas catabólicas
son aquellas que se encargan de la destrucción de moléculas muy complejas para
generar compuestos más simples. En el proceso generalmente se libera energía
que luego es aprovechada por la célula para alimentar los procesos anabólicos.
Las rutas catabólicas se caracterizan porque como un todo se las puede
clasificar como un proceso oxidante, y exergónicas “generalmente exotérmico,
pero puede liberar otras formas de energía diferente”. Las rutas anabólicas por
el contrario son aquellas que ensamblan moléculas complejas a partir de
compuestos más simples, e inclusive de naturaleza completamente inorgánica.
Para esto utiliza energía celular obtenida por las rutas catabólicas o de
fuentes externas como el calor, o el Sol. En el centro de todo existe una serie
de moléculas de almacenamiento de energía que conectan ambos tipos de rutas
metabólicas, es decir, son producidas por el catabolismo, y gastadas en el
anabolismo, estas moléculas son el ATP y el NADP.
5.9 Enzimas
Muchas reacciones químicas son poco
espontáneas, o en caso de serlo su velocidad de reacción es tan minúscula que
demorarían millones de años en acumular suficientes intermediarios metabólicos
para poder ser empleados en una reacción celular. En química inorgánica se nos
introduce el concepto de catalizador, una sustancia que no es consumida por la
reacción, pero que se necesita para que esta se de en términos cuantificables.
Los seres vivos se caracterizan por fabricar y perfeccionar sus propios
catalizadores que funcionan gracias a la estructura tridimensional de las
proteínas, en este sentido las proteínas que actúan de catalizadores químicos
son denominados enzimas.
Las enzimas no suplementan energía extra
la reacción, por lo que no pueden hacer nada contra una reacción biológica que
sea por naturaleza irreversible. En otras palabras, las enzimas no pueden
alterar las leyes de la termodinámica, una reacción irreversible y no
espontánea continuará siendo irreversible y no espontánea por más enzimas que se
apliquen. Las enzimas afectan las velocidades de reacción.
Las enzimas son catalizadores
particularmente buenos cuando se las compara con catalizadores no biológicos
como en platino metálico o el magnesio, dichos catalizadores solo aceleran las
reacciones entre cientos o miles de veces, en otras palabras, acelerando o 3
órdenes de magnitud de la reacción. Las enzimas pueden acelerar en promedio
entre 13 y 18 órdenes de magnitud una reacción. En base a estos números, una
reacción que toma entre 3 a 300 000 años para cumular suficiente sustancia
útil, con una enzima solo se tardaría un segundo o menos. Otro detalle
importante es que las enzimas logran esto en las condiciones celulares,
cercanas a las condiciones termodinámicas estándar.
Las enzimas poseen muchas características
del tipo de sustancias que son, proteínas, por lo que son sustancias muy
específicas que solo catalizan un grupo estrechamente relacionado de reacciones
químicas, lo que cont6rasta con los catalizadores no biológicos que son inespecíficos.
De igual forma sus funciones están relacionadas con la apariencia
tridimensional de la enzima y su habilidad para cambiar de forma.
5.10 Encadenamiento de las reacciones
Las enzimas no pueden hacer que una
reacción no espontánea se con vierta en espontánea, pero si pueden dirigir la
energía libre de Gibbs de una reacción muy espontánea para activar los
reactivos de la reacción no espontánea. Recuerde que las reacciones no
espontáneas no son imposibles, solo necesitan una introducción de energía. Este
proceso se conoce como acoplamiento de reacciones, y de esta manera se van
construyendo las rutas metabólicas, que, en su concepto más simple, es la
producción de reacciones espontáneas con altos índices de energía libre, para
que esta sea empleada en la generación de reacciones no espontáneas. El proceso
siempre involucra el aumento entrópico del universo, cada trasferencia
energética solo logra canalizar un poco de la energía en forma de energía
libre, mientras que la mayor parte se convierte en entropía para el universo,
por lo que los seres vivos siempre cumplen las leyes de la termodinámica aun
cuando aparentemente construyan un sistema ordenado.
5.11 Principio
de Le Chatelier
Principio de Le Chatelier es un heurístico
que permite analizar rápidamente un sistema químico en diferentes momentos de
equilibrio, y se aplica mucho en el metabolismo ya que la mayoría de sus
reacciones son reversibles y por lo tanto aplica el concepto de equilibrio
químico. El principio de Le-Chatelier propone que cuando un sistema ingresa en
equilibrio químico tenderá a conservarse en equilibrio, así cuando se ejerce
una perturbación en el sistema como concentraciones, presión o temperatura; el
sistema responderá de modo tal que neutralice dicho cambio para regresar al
estado de equilibrio. Un detalle importante es que el sistema tarda cierta
cantidad de tiempo para regresar al estado de equilibrio, aspecto que puede ser
usado en situaciones industriales para reducir costos y optimizar producción.
6. Portadores de energía
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En este capítulo echaremos un vistazo más
próximo a los portadores de la energía, sustancias necesarias para acoplar las
reacciones espontáneas con las no espontáneas mediante la transferencia
energética. Los portadores de energía vincularan pues las reacciones que
producen energía libre de Gibbs con aquellas que consumen energía libre de
Gibbs. Los portadores de energía se caracterizan por almacenar la energía libre
en sus enlaces químicos de alta energía mediante la adquisición de grupos
fosfato o de protones con sus correspondientes electrones. De cierta manera
podemos entender el funcionamiento de los portadores de energía en términos de
las reacciones ácido base.
6.1 ATP
El
Figura 6.1. Ácido pirofosfórico H3P2O7.
Figura 6.2. Ácido trifosfórico
Para entender el funcionamiento del ATPes
conveniente conocer algo de la química de los ácidos del fosforo. Por lo
general conocemos al ácido ortofosfórico que se disocia liberando tres
protones.
Esto genera un grupo fosfato libre de tres cargas negativas, sin embargo
los iones fosfato pueden unirse nuevamente para formar el ácido pirofosforico.
En el enlace pirofosfórico el oxígeno que sirve de puente entre los dos
fosfatos almacena mucha energía, por lo que se lo conoce como enlace
pirofosfórico o simplemente pirofosfato.
En el ATP hay tres grupos fosfato unidos por dos enlaces pirofosfato, lo que implica dos uniones de alta energía. El ATP es un nucleósido constituido por una base nitrogenada que da el nombre “en este caso adenina” y un azucar hemiacetal, es decir en forma de anillo de cinco carbonos llamado ribosa. Las tres cosas unidas tienen una estructura semejante a lo que se observa en la Figura 6.4.
Figura 6.3.
Representaciones estructurales de la disociación del ácido fosfórico:
Figura 6.4. Modelo simplificado de la
fórmula estructural del ATP.
En términos
químicos la adenosina de trifosfato es una sal orgánica y un ácido al mismo
tiempo, ya que puede liberar los protones para las posiciones negativas de los
fosfatos. En medio acuoso el ATP puede perder dos de sus pirofosfatos para
convertirse en una molécula cíclica conocida como monfosfato de adenosina. Lo
anterior nos lleva a una caracteristica de los portadores de energía, y es que
pueden presentarse en estados de alta y de baja energía, y pára el ATP se nos
presenta un estado de energía intermedio llamado
6.2 GTP
Figura 6.5. Modelo simplificado
de la fórmula estructural del GTP.
La GTP es una coenzima de transferencia de energía clave en procesos
como:
→ Ciclo de
Krebs un metabolismo clave para oxidar completamente los azúcares y las grasas.
→ Traducción
genética para fabricar las proteínas propias del cuerpo
→ Durante la
polimerización de los microtúbulos para que las células se puedan dividir
adecuadamente
→ Sistema
olfativo permitiendo la transmisión del impulso nervioso y por ende, el sentir
el olor de las cosas.
6.3 NADH2
La nicotinamida adenina dinucleótido es una coenzima que se obtiene en base al ATP el cual pierde un pirofosfato y es reemplazado por otra ribosa que posee una basa nitrogenada llamada nicotinamida.
Figura 6.6. El NAD
“arriba” y el NADH:
En la nicotinamida es donde se da el
cambio estructural para captar dos hidrógenos. Un hidrógeno se une covalentemente
a uno de los carbonos del anillo por viraje del enlace deslocalizado aromático,
mientras que el segundo protón se une de forma coordinada al nitrógeno del
anillo, y debido a que es un enlace coordinado en algunos textos el NADH2
se expresa en la forma NADH:H+ para
expresar que el segundo protón no hace parte real del anillo de nicotinamida.
El NADH:H+ es la primera de
las coenzimas que se clasifican como poder reductor, en el sentido de que
transportan protones, recordemos que en la química orgánica la reducción
también puede verse como la captura de protones, lo cual va acompañado con la
captura de sus correspondientes electrones. Químicamente las moléculas de poder
reductor tambien se pueden visaluzar como ácidos de Brostened-Lowry débiles que
existen en su forma ácida y de base conjugada. La forma ácida que porta los
protones es la forma de alta energía y la base conjugada o NAD+ en
este caso es la forma de baja energía.
Dado lo anterior
cada vez que en una reacción metabólica se presenta un paso de NAD+
a NADH:H+ o
su opuesto, nos encontramos ante un paso de flujo energético que por lo menos
para un curso introductorio de metabolismo es lo que realmente nos importa.
6.4 NADPH
La nicotinamida adenina dinucleótido fosfato análogo a la NADH:H, ya que también es un ácido orgánico que posee dos estados energéticos, la forma de alta energía que contiene dos protones y dos electrones, y la forma de baja energía o desprotonada. El funcionamiento es exactamente igual al del NAD, pues es el anillo de nicotinamida el que se encarga de unirse covalentemente aun protón y demanera coordinada al segundo protón.
Figura 6.7. El NADP+ es
un isómero del NAD, incluso su región activa funciona de manera
semejante.
6.5 FADH2
La flavina adenina dinucleótido es una coenzima homóloga al NAD ya que captura dos protones con sus correspondientes electrones, al igual que en los casos anteriores se obtiene en base al ATP. Sus capacidades como ácido diprótico débil son causadas por el anillo de flavina que si se une covalentemente a dos protones gracias a dos nitrógenos de anillos diferentes.
Figura 6.8. El FAD al
reducirse si porta realmente dos protones por lo que la notación FADH2
si es correcta.
6.6 Fórmulas cortas
Existen muchísimas otras coenzimas que
transfieren muchísimos otros grupos diferentes, pero por lo menos hay que tener
en mente a estos básicos ya que son universales. Y debido a su universalidad y
complejidad en los esquemas de reacciones metabólicas casi nunca se los
presenta en su fórmula estructural. Las moléculas de cofactores portadoras de
energía se expresan con su acronimia en términos de reacciones de flujo de
energía como viene a continuación. Las coenzimas que transfieren grupos
pirofosfato almacenan su energía en los enlaces entre los pirofosfato, por lo
que al perder estos grupos de fosforo pierden energía.
Figura 6.9. relación
energética entre las formas de baja energía (oxidadas) y de alta energía
(reducidas) de los portadores de energía más comunes de los seres vivos..
Las coenzimas que
transfieren protones sirviendo como áciodos débiles de Brostened almacenan su
energía en los electrones que forman los enlaces con los protónes (iones
positivos del hidrógeno).
7. Fuentes de energía
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Si tenemos portadores de energía, ahora la
pregunta es de donde proviene la energía y hasta los protones (
7.1 Fosforilación
oxidativa
En la fosforilación oxidativa los
electrones de alta energía son removidos de las moléculas orgánicas en los
enlaces de alta energía entre carbonos, luego esos electrones son transferidos
para sintetizar ATP por una reacción de transferencia de grupo pirofosfato
mediado por enzimas específicas. El proceso puede realizarse en la glucólisis
lo cual ocurre en el citoplasma, o en las membranas celulares a través de la
cadena de transporte de electrones que es mucho más eficiente.
7.2 Electrones
de la roca
Los minerales pueden almacenar electrones
de alta energía, que los seres vivos pueden transferir a portadores como NAD,
NADP o FAD gracias a ácidos y enzimas adecuados. Los protones que acompañan a
los electrones extraídos de la roca provienen de la disociación del agua, por
lo que una colonia de células puede sobrevivir drenando la energía de la roca,
literalmente convirtiendo la materia inerte en vida.
7.3 Electrones
del agua
No todos los minerales pueden dar el tipo
de electrones que necesitan los seres vivos, el agua por ejemplo es una
molécula absolutamente inadecuada, ya que los enlaces de hidrógeno a oxígeno
son de muy baja energía. Por tal razón se necesita una introducción de energía
interna para cargar a los electrones, o excitarlos como se denomina
técnicamente. Cuando los electrones de los enlaces del agua se excitan, el agua
se rompe produciendo protones disueltos en agua y oxígeno molecular como
material de desecho, proceso que se denomina como fotosíntesis, ya que la
energía de excitación proviene del Sol.
8. Algunos catabolismos
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El catabolismo es el conjunto de procesos
metabólicos que oxidan moléculas de alto peso molecular, esto se hace
principalmente mediante el rompimiento de sus estructuras para obtener
electrones de alta energía. El propósito de las reacciones catabólicas es
extraer la energía de los enlaces de las macromoléculas y transferir la porción
no absorbida por la entropía “la energía que se pierde en forma de calor al
universo” en enlaces de los portadores de energía, ya sea en los enlaces
pirofosfato del ATP y sus análogos, o en la forma del enlace entre algunas
coenzimas con protones. Posteriormente las coenzimas portadoras de energía
emplearan la energía de sus enlaces para pagar por la construcción de las
moléculas propias de la célula, aunque en este paso también hay pérdida por
entropía. Todos los diferentes mecanismos metabólicos, ya sea anabólicos o
catabólicos, dependen del acoplamiento de reacciones redox y flujos de energía
libre de Gibbs.
8.1 Digestión
La digestión es la destrucción de
moléculas complejas en otras más simples, por la acción de procesos mecánicos,
y químicos, específicos o inespecíficos. En los animales la digestión inicia
como un proceso mecánico de destrucción del alimento por la acción de dientes y
otras estructuras del sistema digestivo que muelen el alimento. Sin embargo, la
mayoría de los seres vivos son capaces de digerir solo por acción química, la
cual puede ser inespecífica, mediante la liberación de ácidos sobre el
alimento, u específica con la liberación de enzimas que rompen moléculas
concretas del alimento. La digestión no solo tiene funciones nutricionales,
también puede ser empleada en procesos del sistema inmune para devorar
invasores externos y para alertar de sus componentes para que las células
inmunes estén más alerta a invasiones futuras.
8.2 Glucólisis
Como su nombre indica la glucólisis es el
proceso de rompimiento de la glucosa de 6 carbonos para obtener dos moléculas
de 3 carbonos llamadas ácido pirúvico / piruvato y cierto rendimiento
energético en forma de ATP y otras
coenzimas portadoras de energía. El piruvato entonces puede tomar varias rutas
metabólicas dependiendo del organismo, las cuales pueden ser fermentaciones o
respiraciones. La diferencia es que las fermentaciones sacrifican energía para
excretar el piruvato y las respiraciones degradan el piruvato para obtener más
energía. La glucólisis consta de dos etapas energéticas, una etapa de inversión
en la que la célula sacrifica energía para hacer que la glucosa se haga
inestable:
Figura 8.1. Ecuación química
global de la etapa de activación de la glucólisis.
y poder romperla y una etapa de
recuperación energética, de este modo se obtienen como rendimiento bruto de 4 ATP y 2 NADH:H+, sin embargo debido a que se invirtieron 2 ATP
durante las fases de absorción de energía, el rendimiento neto se reduce a 2 ATP y 2 NADH:H+.
Figura 8.2. Ecuación química
global de la etapa de captura de energía de la glucólisis.
El fin de la glucólisis termina con una
sustancia problemática, el ácido pirúvico / piruvato.
8.3 Las fermentaciones
Todas las rutas metabólicas sufren del
problema de intermediarios metabólicos, que experimentan reacciones reversibles
o que cuyos sustratos están limitados en cantidad. En cuanto a la glucólisis,
por ejemplo, la acumulación del ácido pirúvico puede conllevar fácilmente a la
parálisis de su misma ruta metabólica, lo cual priva a la célula de su fuente
energética. De hecho, este evento se da en el envenenamiento por arsénico, el
cual causa una acumulación de piruvato por inhibición de la enzima que lo
integra a la respiración aeróbica en los seres humanos. Dado que el piruvato es
tóxico, si se acumula la célula debe “hacerse cargo” de él, modificándolo a una
forma química menos toxica y expulsándolo de la célula como desecho, proceso
que puede ser denominado como excreción celular. Adicionalmente existe otro dilema celular que
debe ser afrontado por la célula, el glucólisis consume NAD para formar NADH:H+,
si no se encuentra algo útil en que invertir ese NADH:H+ el NAD
que se usa para fabricarlo se acaba, lo cual paralizará otras rutas metabólicas
paralelas. Las fermentaciones son un modo de resolver esos dos problemas con
una serie de reacciones cortas, se sacrifica energía para transformar el
piruvato en sustancias menos tóxicas o más fáciles de exportar fuera de la
célula, y la energía sacrificada proviene precisamente del NADH:H+.
Dependiendo de si la ruta emplea oxígeno o
no, se la denomina aeróbica o anaeróbica, y el nombre propio de cada
fermentación dependerá de su producto final. Por ejemplo, en la fermentación
láctica anaeróbica se produce ácido láctico.
Figura 8.3. Fermentación láctica.
La fermentación anaeróbica que produce
alcohol etílico
Figura 8.4. Fermentación alcohólica.
O la fermentación aeróbica que produce ácido acético.
Figura 8.5. Fermentación acética.
8.7 Ciclo de Krebs
Al contrario de lo que sucede en las
fermentaciones, el ciclo de Krebs logra oxidar el piruvato, y en lugar de
perder energía la va a obtener. Como su nombre indica se trata de un grupo de
reacciones cíclicas en donde los carbonos provenientes del piruvato se unen con
carbonos de sustancias del ciclo, las transformaciones sucesivas liberan
dióxido de carbono y grandes cantidades de energía en forma de coenzimas
portadoras de energía.
Figura 8.6. Ecuación química
global del ciclo de Krebs.
Como productos del ciclo tenemos de manera
neta dos moléculas de dióxido de carbono que son liberadas al torrente
sanguíneo “el dióxido de carbono puede atravesar las membranas mitocondriales y
celular por transporte pasivo”. En términos energéticos también son liberados
protones libres y coenzimas portadoras de energía, los cuales serán empleados
para sintetizar ATP posteriormente.
9. Algunos anabolismos
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El anabolismo es un conjunto de reacciones
químicas que condicen la energía obtenida de otros seres vivos o del ambiente
inerte para la construcción de sustancias orgánicas de alto peso molecular y
gran complejidad química. Tal vez el único metabolismo anabólico que se ve en
el tema de los metabolismos es la fotosíntesis, y de la fotosíntesis la única
parte verdaderamente anabólica es la fijación de carbonos o ciclo de
Calvin-Benson. Sin embargo, literalmente cualquier proceso biológico que
involucra la síntesis de polímeros a partir de monómeros más simples es una
ruta anabólica, entre las que podemos contar: la síntesis de proteínas en los
ribosomas, el copiado del ADN en el núcleo celular, o la síntesis de polisacáridos
en los diferentes organelos celulares.
9.1 Cadena de transporte de electrones respiratoria
La cadena de transporte de electrones
corresponde a un conjunto enzimático que se basa en el transporte activo de
protones (iones H+(aq)) desde un lado de la membrana hacia otro lado de la membrana, ya
sea la membrana de la bacteria, de la mitocondria o del cloroplasto. La fuente
de los protones a mover y de los electrones que suministran la energía del
movimiento es el mismo, las coenzimas que actúan como ácidos de Bronsted como NADH:H+, FADH2 y NADPH en el caso de la respiración o por el agua en la
fotosíntesis. Los electrones fluyen en medio de la membrana activando una serie
sucesiva de enzimas que transfieren a la fuerza los protones. Básicamente es
una corriente eléctrica que se emplea para poner muchos protones a un solo lado
de la membrana celular, provocando un aumento en la diferencia de cargas
positiva y negativa, igual que en una batería de automóvil. Cuando se llega al
punto crítico los protones deben comenzar a regresar al lado de la membrana de
donde provenían, pero esta fuerza es aprovechada por la célula en forma de una
enzima denominada F1F0 ATP sintasa. Esta enzima funciona
como el boquete de una represa, empleando la fuerza proveniente de los protones
que funcionan como una cascada de agua para sintetizar ATP.
Figura 9.1. Ecuación química
global de la cadena de transporte de electrones respiratoria. Su estequiometría
varía dependiendo del organismo modelo y el diseño experimental.
Finalmente, los electrones despojados de
su energía deben entregarse a una molécula que los acepte, junto a los protones
sobrantes para evitar que estos se acumulen de forma indefinida paralizando
todo el sistema. Dependiendo de quién es ese último aceptor de electrones, la
respiración se denominará aeróbica o anaeróbica. Será aeróbica si el último
aceptor es oxígeno gaseoso
9.2 Cadena
de transporte de electrones fotosintética
La cadena de transporte de electrones de
la fotosíntesis funciona bajo los mismos principios de la respiratoria, la
diferencia radica en que los electrones empleados no provienen de materia
orgánica, sino del agua, y la energía requerida para que estos muevan la
síntesis del ATP provienen de la luz.
Figura 9.2. Ecuación química
global de la cadena de transporte de electrones fotosintética
La fotosíntesis se basa en la destrucción
del agua para obtener electrones y protones, mientras que el oxígeno gaseoso es
expulsado como un residuo.
9.3 Fijación de carbono
En la fijación del carbono del ciclo de
Calvin-Benson las coenzimas de alta energía obtenidas en la cadena de
transporte de electrones fotosintética se emplean para construir moléculas
orgánicas pesadas a partir del dióxido de carbono de la atmósfera. El ciclo
opera de a una sola molécula de dióxido de carbono por vez y dado que dicha
molécula tiene un solo carbono
Figura 9.3. Ecuación química
global del ciclo de Calvin-Benson
Una vez liberadas las coenzimas pueden ser
empleadas nuevamente en la cadena de transporte de electrones fotosintética,
mientras que la célula puede almacenar la glucosa en forma de otras sustancias
como polisacáridos o grasas. Cabe destacar que el ciclo de Calvin-Benson no
sintetiza la glucosa de 6 carbonos directamente, en su lugar crea un
intermediario de 3 carbonos simbolizado simplemente como G3P.
9.4 Síntesis de azúcares
La síntesis de monosacáridos puede darse
ya sea directamente desde la fotosíntesis a partir de la G3P o de otras
moléculas de bajo peso molecular, por ejemplo, en la gluconeogénesis se emplea
piruvato proveniente de la glucólisis para restaurar la glucosa. La
gluconeogénesis es una alternativa a la fermentación, y evidentemente requiere
sacrificar energía, pero a cambio evita la perdida final del piruvato en los
productos de la fermentación, o la acumulación de sustancias toxicas como el
mismo piruvato o sus desechos. Los desechos de la fermentación también pueden
emplearse para sintetizar glucosa, siempre y cuando se sacrifique energía. A
partir de los monosacáridos, los polisacáridos son sintetizados por medio de
pasos enzimáticos que dependen del tipo de organismo del cual estamos hablando,
además de que el polímero en sí, puede tener funciones diferentes dependiendo
del modo en que las unidades de carbohidratos se ensamblan una a la otra como
ya vimos en el capítulo de biocompuestos.
9.5 Alargamiento de los lípidos
La síntesis de los ácidos grasos se basa
en el alargamiento de las cadenas alifáticas de un ácido carboxílico,
recordemos que el grupo funcional carboxilo se encuentra unido al glicerol en
la punta que no se alarga. Como es una cadena alifática los ácidos grasos son
bien inertes a las reacciones químicas no controladas, lo que los hace un
excelente material de reserva de energía, ya que una vez almacenada en forma
alifática es difícil obtenerla de regreso. El proceso como en todo metabolismo
involucra enzimas que se encargan de adicionar unidades de acetil coenzima A, a
la punta de la cadena alifática para alargarla en unidades de dos carbonos. En
lípidos no alifáticos como el colesterol el proceso es mucho más complejo, ya
que involucra donadores isopropenoides, los cuales se unen entre sí para formar
un escaleno que posteriormente es plegado para formar los típicos anillos de un
lanosterol. El lanosterol es la molécula precursora de otros esteroides como el
colesterol y el ergosterol.
9.6 Síntesis de proteínas y ácidos nucleicos
A pesar de que su estudio no emplea
precisamente la palabra metabolismo, el asunto es que tanto en la síntesis de
ADN como en la de proteínas se involucra la síntesis de moléculas grandes y
complejas a partir de unos pocos monómeros simples. Sin embargo, su estudio
queda englobado en los temas de genética. Por norma el capítulo de los
metabolismos estará más enfocado a los catabolismos, siendo el único anabolismo
importante a ser analizado el ciclo de Calvin-Benson dentro de la fotosíntesis.
10. El metabolismo secundario
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Las rutas descritas anteriormente se
denominan metabolismo primario, estas están activas siempre y son necesarias
para la vida. Sin embargo, los seres vivos no son entidades aisladas o
perfectas, por lo que deben hacer frente a agentes externos y a problemas
internos por métodos bioquímicos que en su conjunto se denominan como el
metabolismo secundario.
10.1 Defensa contra agentes externos, xenobióticos
Todos los seres vivos se encuentran constantemente expuestos
a compuestos químicos ambientales que no pueden emplear como alimento, que
puede resultar problemáticos ya que intervienen en los procesos bioquímicos
normales. Estos compuestos externos potencialmente peligrosos son denominados
como xenobióticos. Los xenobióticos pueden ser fármacos, drogas o venenos
naturales o sintéticos que deben ser regulados y transformados a sustancias no
tóxicas por medio de un conjunto de enzimas metabolizadoras de xenobióticos.
Muchas de estas enzimas son derivados reales del sistema metabólico como los
citocromos muy empleados en el ciclo de Krebs, así como tras enzimas
específicas. Por lo general el proceso involucra la oxidación del xenobiótico
rompiéndolo en moléculas con menor actividad y mayor solubilidad en agua, una
vez solubilizados, los xenobióticos pueden excretarse de las células y luego
fluir por la sangre siendo expulsados ya sea por los riñones o el hígado. En la
naturaleza estas reacciones, cuando son llevadas a cabo por las bacterias son
importantes en la bioremediación de zonas contaminadas por petróleo y otros
residuos sintéticos de las industrias químicas.
El metabolismo de los medicamentos es un
subtipo del metabolismo de los xenobióticos. Químicamente el proceso desde el
punto de vista de las células no es diferente del de destruir un veneno o una
toxina, ya que muchos fármacos pueden ser tóxicos en las concentraciones
adecuadas. El estudio concreto del metabolismo de los medicamentos se denomina
farmacoquinesis, y no solo involucra a los medicamentos legales, también
involucra a fármacos adictivos e ilegales como los opioides, canabinoides y
estimulantes fuertes.
Dependiendo de las enzimas que pueden
afectar a un fármaco, este variará su efectividad en términos de la
concentración y frecuencia de la dosis que se consumirá. Si el metabolismo es
muy rápido en degradarlo, se necesitarán dosis más frecuentes. En otras
ocasiones el fármaco que ingresa es inactivo por sí mismo, pero son las enzimas
del metabolismo xenobiótico que lo transforma a un intermediario activo antes
de convertirlo en el producto a degradar. Otros seres vivos no degradan las
toxinas, sino que las almacenan en órganos especiales sin modificarlas para sus
propios usos, como sucede con las ranas dardo del Amazonas, que consumen el
veneno de las hormigas y lo emplean para su propia defensa concentrándolo. Una
rana es más venenosa que una hormiga debido al fenómeno de bioacumulación, en
el que por lo general un agente toxico estará 10 veces más concentrado en un
nivel trofico superior (Backshall, 2007; Moreno-Gómez et
al., 2014).
10.2 Protección contra agentes internos, antioxidantes
El metabolismo del oxígeno es imperfecto y
con frecuencia tiende a generar iones de oxígeno como los iones superóxido y
varios tipos de peróxidos, que si entran en contacto con el ADN pueden dañarlo
por oxidación muy rápidamente. Las
plantas son las más propensas a estos problemas, ya que además de consumir
oxígeno en su respiración celular aeróbica, también lo producen en grandes
cantidades a través del primer paso de las reacciones de la luz de la
fotosíntesis. Otras rutas metabólicas también producen intermediarios raros,
pero altamente tóxicos que deben ser regulados de alguna forma para que no
lastimen a las células. En este sentido ingresan enzimas y otras moléculas que
componen el metabolismo antioxidante. En las plantas involucran varios tipos de
carotenoides y coenzimas que impiden la proliferación de los radicales
superoxidantes, y de allí que se denominen en su conjunto como antioxidantes.
En cualquier caso, la protección contra las toxinas internas no es perfecta, y
es una de las hipótesis para el envejecimiento y el incremento de la
probabilidad de generación de cáncer.
10.3 Venenos
y excreción vegetal
El metabolismo secundario también puede
emplearse como un veneno por parte de las plantas. En ellas los productos de
desecho de las proteínas no se excreta por un sistema urinario, en su lugar se
almacenan en forma de diferentes moléculas muy concentradas en la vacuola,
hasta el punto en que se cristalizan. La molécula particular depende del linaje
vegetal, pero con frecuencia puede causar diversos efectos en los animales que
las consumen. Toda planta produce este tipo de sustancias, y por tal razón
algunas son medicinales y otras son mortales (Bourgaud, Gravot, Milesi, &
Gontier, 2001).
YouTube. Las plantas
también son criaturas salvajes que luchan por su existencia.
11. Enfermedades metabólicas, la diabetes
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Las enfermedades metabólicas ocurren
cuando se interrumpen los procesos metabólicos habituales del cuerpo. Estas
enfermedades pueden ser congénitas o adquiridas, por ejemplo, la diabetes y la
fenilcetonuria. Las enfermedades metabólicas son trastornos que se derivan de
una deficiencia en la actividad de una enzima. Lo más común es que afecten a
una enzima involucrada en la síntesis o descomposición de sustancias
intermedias en el metabolismo de carbohidratos, grasas o proteínas. El campo de
las enfermedades metabólicas hereditarias se ha expandido enormemente en la
última década y ahora también incluye defectos en la función de los orgánulos
subcelulares (por ejemplo, mitocondrias, peroxisomas y lisosomas) y defectos en
el metabolismo de moléculas adicionales, como los neurotransmisores.
Los síntomas que experimentan los
pacientes con enfermedades metabólicas son consecuencia de la acumulación de
compuestos que no pueden degradarse, o la falta de un compuesto esencial que no
puede sintetizarse, dependiendo del defecto enzimático específico. De acuerdo
con esto, la acumulación de un compuesto que es tóxico para el cerebro es
probable que resulte en retraso del desarrollo, convulsiones, tono muscular
anormal e inestabilidad. La acumulación de un compuesto que es tóxico para los
músculos provocará debilidad muscular, degradación muscular o falla del músculo
cardíaco. Otros síntomas comunes incluyen alteración de la función hepática y
renal. Como muchos de estos síntomas (particularmente en la categoría
neurológica) no son específicos de los trastornos metabólicos, es costumbre
referir a los pacientes para una evaluación metabólica cuando sus síntomas no
pueden ser explicados por ningún otro trastorno conocido.
Referirnos a todas las enfermedades
metabólicas sobre extendería los objetivos del presente escrito, por lo que nos
enfocaremos en la diabetes, uno de los desórdenes metabólicos más comunes y que
involucra muchos de los conceptos de biología molecular y celular que hemos
visto hasta este punto. En general hay tres tipos de diabetes, la diabetes
insípida, la diabetes dulce de tipo 1 y la diabetes dulce de tipo 2. En general
la más común es la diabetes dulce o diabetes mellitus DM, llamada así porque
uno de sus signos más típicos es una orina dulce.
11.1 Historia
La diabetes fue una de las primeras
enfermedades descritas, con un manuscrito egipcio de cerca de 1500 a. C.
mencionando "demasiado vaciado de la orina". El papiro de Ebers
incluye una recomendación para tomar una bebida en tales casos. Se cree que los
primeros casos descritos son de diabetes tipo 1. Los médicos indios, al mismo
tiempo, identificaron la enfermedad y la clasificaron como madhumeha o
"miel de la orina", señalando que la orina atraería hormigas (Ahmed, 2002).
El término "diabetes" o "sifón, aunque en su contexto es un eufemismo para decir que se orina demasiado " se utilizó por primera vez en 230 a. C. por el griego Apolonio de Memphis. La enfermedad se consideró rara durante la época del imperio romano, y Galeno comentó que solo había visto dos casos durante su carrera. Esto posiblemente se deba a la dieta y el estilo de vida de los antiguos, o porque los síntomas clínicos se observaron durante la etapa avanzada de la enfermedad. Galeno llamó a la enfermedad "diarrea de la orina" (diarrea urinosa) (Poretsky, 2010).
El trabajo más antiguo que se conserva con
una referencia detallada a la diabetes es el de Areteo de Capadocia (siglo II o
principios del siglo III). Describió los síntomas y el curso de la enfermedad,
que atribuyó a la humedad y al frío, reflejando las creencias de la
"Escuela neumática". Intentó correlacionar la diabetes con otras
enfermedades, y discutió el diagnóstico diferencial de la mordedura de
serpiente que también provoca sed excesiva. Su trabajo permaneció desconocido
en Occidente hasta 1552, cuando se publicó la primera edición latina en Venecia
(Chiquete, Nuño González, &
Panduro Cerda, 2001).
Los médicos indios Sushruta y Charaka
identificaron la diabetes tipo 1 y tipo 2 como condiciones separadas por
primera vez en 400-500 CE con el tipo 1 asociado con la juventud y el tipo 2
con sobrepeso. El término "mellitus" o "de la miel/dulce"
fue agregado por el británico John Rolle a fines del siglo XVIII para separar
la enfermedad de la diabetes insípida, que también se asocia con la micción
frecuente. El tratamiento eficaz no se desarrolló hasta principios del siglo XX,
cuando los canadienses Frederick Banting y Charles Herbert Best aislaron y
purificaron la insulina en 1921 y 1922. Esto fue seguido por el desarrollo de
la insulina de acción prolongada NPH en la década de 1940 (Poretsky, 2010).
11.2 Signos y síntomas
Los síntomas clásicos de la diabetes no
tratada son pérdida de peso, poliuria (aumento de la micción), polidipsia
(aumento de la sed) y polifagia (aumento del hambre). Los síntomas pueden
desarrollarse rápidamente (semanas o meses) en la DM tipo 1, mientras que
generalmente se desarrollan mucho más lentamente y pueden ser sutiles o
ausentes en la DM tipo 2. Varios otros signos y síntomas pueden marcar el
inicio de la diabetes, aunque no son específicos de la enfermedad. Además de
los conocidos anteriormente, incluyen visión borrosa, dolor de cabeza, fatiga,
curación lenta de los cortes y picazón en la piel. La glucosa en sangre
prolongada puede causar absorción de glucosa en el cristalino del ojo, lo que
provoca cambios en su forma, lo que produce cambios en la visión. Una serie de
erupciones cutáneas que pueden ocurrir en la diabetes se conocen colectivamente
como dermatomas diabéticos.
El nivel bajo de azúcar en sangre
(hipoglucemia) es común en personas con DM tipo 1 y tipo 2. La mayoría de los
casos son leves y no se consideran emergencias médicas. Los efectos pueden
variar desde sentimientos de malestar, sudoración, temblor y aumento del
apetito en casos leves hasta problemas más graves como confusión, cambios en el
comportamiento como agresividad, convulsiones, pérdida del conocimiento y (rara
vez) daño cerebral permanente o muerte en casos graves. El azúcar en la sangre
moderadamente bajo se puede confundir fácilmente con la embriaguez; La
respiración rápida y la sudoración, la piel fría y pálida son características
del bajo nivel de azúcar en la sangre, pero no son definitivas. Los casos leves
a moderados se autotratan al comer o beber algo con alto contenido de azúcar.
Los casos graves pueden conducir a la pérdida del conocimiento y deben tratarse
con glucosa intravenosa o inyecciones con glucagón.
Las personas (generalmente con DM tipo 1)
también pueden experimentar episodios de cetoacidosis diabética, una alteración
metabólica caracterizada por náuseas, vómitos y dolor abdominal, el olor a
acetona en la respiración, respiración profunda conocida como respiración de
Kussmaul y, en casos severos, un nivel disminuido de la conciencia. Una
posibilidad rara pero igualmente grave es el estado hiperglucémico
hiperosmolar, que es más común en la DM tipo 2 y es principalmente el resultado
de la deshidratación.
Todas las formas de diabetes aumentan el
riesgo de complicaciones a largo plazo. Estos típicamente se desarrollan
después de muchos años (10-20) pero pueden ser el primer síntoma en aquellos
que de otra manera no hubieran recibido un diagnóstico antes de ese momento.
Las principales complicaciones a largo plazo se relacionan con el daño a los
vasos sanguíneos. La diabetes duplica el riesgo de enfermedad cardiovascular y
aproximadamente el 75% de las muertes en diabéticos se deben a enfermedad de la
arteria coronaria. Otras enfermedades "macrovasculares" son el
accidente cerebrovascular y la enfermedad arterial periférica. Las principales
complicaciones de la diabetes debido al daño en los vasos sanguíneos pequeños
incluyen daño a los ojos, los riñones y los nervios. El daño a los ojos,
conocido como retinopatía diabética, es causado por daño a los vasos sanguíneos
en la retina del ojo y puede ocasionar la pérdida gradual de la visión y la
ceguera. La diabetes también aumenta el riesgo de tener glaucoma, cataratas y
otros problemas oculares. Se recomienda que los diabéticos visiten a un
oftalmólogo una vez al año.
Los daños en los riñones, conocidos como
nefropatía diabética, pueden provocar cicatrices en los tejidos, pérdida de
proteínas en la orina y, finalmente, enfermedad renal crónica, que a veces
requieren diálisis o trasplante de riñón. El daño a los nervios del cuerpo,
conocido como neuropatía diabética, es la complicación más común de la
diabetes. Los síntomas pueden incluir entumecimiento, hormigueo, dolor y
sensación de dolor alterado, que pueden provocar daños en la piel. Los
problemas del pie relacionados con la diabetes (como las úlceras del pie
diabético) pueden ocurrir y pueden ser difíciles de tratar, ocasionalmente
requieren amputación. Además, la neuropatía diabética proximal causa atrofia y
debilidad muscular dolorosa. Existe un vínculo entre el déficit cognitivo y la
diabetes. En comparación con aquellos sin diabetes, aquellos con la enfermedad
tienen una tasa de disminución de la función cognitiva de 1.2 a 1.5 veces
mayor. Ser diabético, especialmente cuando está en la insulina, aumenta el
riesgo de caídas en las personas mayores
11.3 Diabetes
de tipo 1
La diabetes mellitus tipo 1 se caracteriza
por la pérdida de las células beta productoras de insulina de los islotes
pancreáticos, lo que conduce a una deficiencia de insulina. Este tipo puede
clasificarse además como inmunomediado o idiopático. La mayoría de la diabetes
tipo 1 es de naturaleza inmune, en la que un ataque autoinmune mediado por
células T conduce a la pérdida de células beta y, por lo tanto, de insulina.
Causa aproximadamente el 10% de los casos de diabetes mellitus en América del
Norte y Europa. La mayoría de las personas afectadas por lo demás están sanas y
tienen un peso saludable cuando se produce el inicio. La sensibilidad y la
capacidad de respuesta a la insulina suelen ser normales, especialmente en las
primeras etapas. La diabetes tipo 1 puede afectar a niños o adultos, pero
tradicionalmente se la denominó "diabetes juvenil" porque la mayoría
de estos casos de diabetes eran en niños.
La diabetes "frágil", también conocida
como diabetes inestable o diabetes lábil, es un término que se usaba
tradicionalmente para describir los cambios dramáticos y recurrentes en los
niveles de glucosa, que a menudo se producen sin motivo aparente en la diabetes
insulinodependiente. Este término, sin embargo, no tiene una base biológica y
no debe usarse. Aun así, la diabetes tipo 1 puede ir acompañada de niveles
altos e irregulares de azúcar en la sangre, con frecuencia con cetosis, y
algunas veces con niveles graves de azúcar en la sangre. Otras complicaciones
incluyen una respuesta contrarreguladora alterada a niveles bajos de azúcar en
la sangre, infección, gastroparesia (que conduce a una absorción errática de
carbohidratos en la dieta) y endocrinopatías (por ejemplo, enfermedad de Addison).
Se cree que estos fenómenos ocurren con una frecuencia no mayor que en el 1% al
2% de las personas con diabetes tipo 1.
YouTube. Diabetes epidemia global. La noche temática.
La diabetes tipo 1 es en parte
hereditaria, y se sabe que múltiples genes, influyen en el riesgo de diabetes.
En personas genéticamente susceptibles, la aparición de la diabetes puede
desencadenarse por uno o más factores ambientales, como una infección viral o
una dieta. Varios virus han sido implicados, pero hasta la fecha no hay
evidencia rigurosa para apoyar esta hipótesis en humanos. Entre los factores
dietéticos, los datos sugieren que la gliadina (una proteína presente en el
gluten) puede desempeñar un papel en el desarrollo de la diabetes tipo 1, pero
el mecanismo aún no se comprende del todo.
11.4 Diabetes
de tipo 2
La DM tipo 2 se caracteriza por resistencia a la insulina, que se puede combinar con una secreción de insulina relativamente reducida. Se cree que la receptividad defectuosa de los tejidos corporales a la insulina afecta al receptor de insulina. Sin embargo, los defectos específicos no se conocen. Los casos de diabetes mellitus debido a un defecto conocido se clasifican por separado. La DM tipo 2 es el tipo más común de diabetes mellitus. En la etapa temprana del tipo 2, la anormalidad predominante es sensibilidad a la insulina reducida. En esta etapa, la hiperglucemia se puede revertir mediante una variedad de medidas y medicamentos que mejoran la sensibilidad a la insulina o reducen la producción de glucosa en el hígado.
Figura 11.1. El receptor de
insulina “rojo en forma de Y” se vincula con la vesícula que tiene los
translocadores GLUT4 “barras verde-oscuro” por medio de un sistema de
señalización que está vinculada a otros procesos en la célula.
La DM tipo 2 se debe principalmente a
factores de estilo de vida y genética. Se sabe que varios factores del estilo
de vida son importantes para el desarrollo de la DM tipo 2, incluida la
obesidad (definida por un índice de masa corporal de más de 30), la falta de
actividad física, la mala alimentación, el estrés y la urbanización. El exceso
de grasa corporal está asociado con el 30% de los casos en los descendientes de
chinos y japoneses, del 60-80% de los casos en los de descendencia europea y
africana, y del 100% de los indios Pima e isleños del Pacífico. Incluso
aquellos que no son obesos a menudo tienen una alta relación cintura-cadera.
Los factores dietéticos también influyen
en el riesgo de desarrollar DM tipo 2. El consumo de bebidas azucaradas en
exceso se asocia con un mayor riesgo. El tipo de grasas en la dieta también es
importante, con grasas saturadas y grasas trans que aumentan el riesgo y las
grasas poliinsaturadas cis y monoinsaturadas cis que disminuyen el riesgo.
Comer mucho arroz blanco también puede aumentar el riesgo de diabetes. Se cree
que la falta de actividad física causa el 7% de los casos
11.5 Mecanismos celulares
La insulina es la principal hormona que
regula la absorción de glucosa de la sangre a la mayoría de las células del
cuerpo, especialmente hígado, tejido adiposo y músculo, excepto el músculo
liso. Por lo tanto, la deficiencia de insulina o la insensibilidad de sus
receptores juegan un papel central en todas las formas de diabetes mellitus. El
cuerpo obtiene la glucosa de tres fuentes principales:
→ la absorción
intestinal de los alimentos;
→ la
descomposición del glucógeno, la forma de almacenamiento de la glucosa que se
encuentra en el hígado;
→ y
gluconeogénesis, la generación de glucosa a partir de sustratos no
carbohidratados en el cuerpo.
La insulina juega un papel crítico en el
equilibrio de los niveles de glucosa en el cuerpo. La insulina puede inhibir la
descomposición del glucógeno o el proceso de gluconeogénesis, puede estimular
el transporte de glucosa a las células grasas y musculares, y puede estimular
el almacenamiento de glucosa en forma de glucógeno.
La insulina es liberada en la sangre por
las células beta (células β), que se encuentran en los islotes de Langerhans en
el páncreas, en respuesta a los niveles crecientes de glucosa en sangre,
generalmente después de comer. La insulina es utilizada por aproximadamente dos
tercios de las células del cuerpo para absorber la glucosa de la sangre para su
uso como combustible, para la conversión a otras moléculas necesarias, o para
el almacenamiento. Los niveles más bajos de glucosa provocan una disminución en
la liberación de insulina de las células beta y en la descomposición del
glucógeno en glucosa. Este proceso está controlado principalmente por la
hormona glucagón, que actúa de manera opuesta a la insulina.
Si la cantidad de insulina disponible es
insuficiente, o si las células responden mal a los efectos de la insulina
(insensibilidad a la insulina o resistencia a la insulina) o si la insulina es
defectuosa, las células del organismo que lo requieren no absorberán la glucosa
adecuadamente. y no se almacenará adecuadamente en el hígado y los músculos. El
efecto neto es persistentemente altos niveles de glucosa en sangre, pobre
síntesis de proteínas y otros trastornos metabólicos, como la acidosis.
Cuando la concentración de glucosa en la
sangre se mantiene alta con el tiempo, los riñones alcanzarán un umbral de
reabsorción y la glucosa se excretará en la orina (glucosuria), causando el
signo de orina dulce. Esto aumenta la presión osmótica de la orina e inhibe la
reabsorción de agua por el riñón, lo que resulta en un aumento de la producción
de orina (poliuria) y una mayor pérdida de líquidos. El volumen de sangre
perdido se reemplazará osmóticamente del agua contenida en las células del
cuerpo y otros compartimentos del cuerpo, causando deshidratación y aumento de
la sed (polidipsia).
11.6 Mecanismo de acción de la insulina
La insulina actúa principalmente afectando
proteínas integrales de membrana que translocan la insulina desde la matriz
extracelular al citosol. Al igual de las proteínas de transporte iónico las
proteínas de translocación no requieren de energía para operar. A diferencia de
ellas, estas proteínas no generan un poro, si no que el cambio conformacional
transloca a la sustancia desde un lado al otro de la membrana. Estas proteínas
operan mediante el mecanismo de reacción de las enzimas, es decir, mediante el
reconocimiento especifico de la superficie del compuesto químico su unión a él,
y su translocación al otro lado de la membrana.
Algunos de las proteínas de translocación
más importantes en los seres humanos son las proteínas de translocación de
glucosa. La glucosa es un carbohidrato simple de importancia vital en la
obtención de energía instantánea por parte de la célula. En los humanos existen
al menos 5 isoformas de un translocador de glucosa, pero el más importante es
la forma 4 (GLUT-4). En condiciones normales estos translocadores se encuentran
aislados de la membrana celular, en el interior del citoplasma anclados a la
membrana de vesículas. Cuando la hormona insulina es liberada, al torrente
sanguíneo esta se une a un receptor de membrana específico (IR). Cuando el IR
se une a la insulina la parte interna del receptor asume su forma activa y
transmite una señal química a las vesículas portadoras de los GLUT-4 para que
se fusionen con la membrana externa de las células musculares y adiposas, y a
la síntesis de glucógeno en el tejido hepático y muscular, así como a la
conversión de glucosa en triglicéridos en el hígado.
Una vez que una molécula de insulina se
acopla al receptor y efectúa su acción, puede volver a liberarse en el ambiente
extracelular, o puede ser degradada por la célula. Los dos sitios principales
para el aclaramiento de insulina son el hígado y el riñón. El hígado elimina la
mayor parte de la insulina durante el tránsito de primer paso, mientras que el
riñón elimina la mayor parte de la insulina en la circulación sistémica. La
degradación normalmente implica endocitosis del complejo receptor de insulina,
seguido de la acción de la enzima degradadora de insulina en un fagocito, la
célula literalmente se come al receptor IR junto con la insulina. Se estima que
una molécula de insulina producida endógenamente por las células beta se
degrada en aproximadamente una hora después de su liberación inicial en la
circulación (vida media de la insulina ~ 4-6 minutos).
11.7 Resistencia a la insulina
La resistencia a la insulina se produce
cuando las células de los músculos, la grasa y el hígado no responden bien a la
insulina y no pueden absorber fácilmente la glucosa de la sangre. Como
resultado, su páncreas produce más insulina para ayudar a que la glucosa
ingrese a sus células. Siempre que su páncreas pueda producir suficiente
insulina para superar la débil respuesta de sus células a la insulina, sus
niveles de glucosa en sangre se mantendrán en un rango saludable.
La prediabetes significa que sus niveles
de glucosa en sangre son más altos de lo normal, pero no lo suficientemente
altos como para ser diagnosticados como diabetes. La prediabetes por lo general
ocurre en personas que ya tienen cierta resistencia a la insulina o cuyas
células beta en el páncreas no producen suficiente insulina para mantener la
glucosa en sangre dentro del rango normal. Sin suficiente insulina, la glucosa
adicional permanece en el torrente sanguíneo en lugar de ingresar a las
células. Con el tiempo, podrías desarrollar diabetes tipo 2.
En esencia la diabetes es generada por:
→ la síntesis
de una molécula defectuosa de la insulina o su ausencia
→ la síntesis
de un receptor defectuoso IR ya sea que no se une a la molécula de insulina o
no se activa para enviar la señal a las vesículas con GLUT-4
→ la sobre
estimulación de los receptores IR en un mecanismo conocido como resistencia a
la unión ligando-receptor.
La resistencia a la unión ligando-receptor
es un mecanismo molecular homeostático que se encuentra ligado no solo a la
diabetes, sino también a otras enfermedades como las adicciones a sustancias
psicoactivas. Para entender esto, debemos tener en cuenta que el cuerpo siempre
busca mantener la homeostasis, es decir, que las señales y cantidades de las sustancias
químicas se mantengan en normalidad, si una señal o la cantidad de una
sustancia son anormalmente altas, las células responden disminuyendo su
sensibilidad, lo que provoca a su vez que el sistema nervioso interprete la
señal de que hay poca cantidad de la sustancia, por lo que consume más, lo cual
reinicia un ciclo nuevo en el que la sustancia aumenta y las células disminuyen
aún más su sensibilidad. Para el caso de la insulina, al final las células no
responderán a la insulina, y habrá mucho azúcar en sangre, aunque el cerebro
interprete que hay poco azúcar en sangre, una completa locura.
YouTube.
Regulación de la translocación de los transportadores de glucosa
¿Por qué nuestro cuerpo responde de una
manera tan suicida? Investigaciones recientes han revelado que la resistencia a
la insulina ayuda a conservar el suministro de glucosa en el cerebro al evitar
que los músculos absorban una cantidad excesiva de glucosa. La resistencia a la
insulina incluso debe fortalecerse en condiciones metabólicas severas, como el
embarazo, durante las cuales el cerebro fetal en expansión demanda más glucosa,
y debe evitarse que esta sea consumida completamente por los músculos.
Dado lo anterior, ¿Cuál es el gatillo del
ciclo de resistencia a la insulina? Pues evidentemente un exceso de glucosa en
sangre, por lo que un estilo de vida que tienda a consumir poca glucosa “poco
ejercicio” y que consuma alimentos ricos en carbohidratos “que se convierten en
glucosa en el hígado” son las causas que establecen la respuesta homeostática
de las células a absorber menos mediante una disminución de la cantidad de
receptores IR.
11.8 La grasa también aumenta la resistencia a la insulina
Hemos visto muchas veces la importancia de
las grasas como combustibles. Con respecto a la obesidad, hay más grasas
presentes que las que pueden ser procesadas por el músculo. Aunque la tasa de
beta-oxidación aumenta en respuesta a la alta concentración de grasas, las
mitocondrias no son capaces de procesar todos los ácidos grasos por
beta-oxidación; los ácidos grasos se acumulan en las mitocondrias y
eventualmente se extienden al citoplasma. De hecho, la incapacidad de procesar
todos los ácidos grasos da como resultado su reincorporación en
triacilgliceroles y la acumulación de grasa en el citoplasma. En el citoplasma,
los niveles de estos lípidos evidentemente aumentan y algunos son modificados a
diacilgliceroles. Los diacilgliceroles son, para mala suerte de los diabéticos,
un mesanejro secundario en rutas metabólicas que activan la proteína quinasa C
(PKC). A su vez, la proteína quinasa C activa una ruta de reacciones químicas
secundarias que bloquean la actividad del receptor IR de la insulina, la lógica
bajo todo esto es evidente, la célula ya tiene mucha energía proveniente de la
grasa, así que se cierra a la entrada de más energía en forma de glucosa.
11.9 La resistencia a la insulina no es diabetes
La resistencia a la insulina puede ser
reversada, por una respuesta homeostática, por lo que existen mecanismos
secundarios, que al igual que en las adicciones, provocan que el ciclo
destructivo de resistencia ligando-receptor se mantenga firme. Y estos
mecfanismos secundarios se encuentran en las células beta del páncreas. A
medida que la resistencia a la insulina se desarrolla en el músculo, las
células beta responden sintetizando aún más insulina en un intento inútil de
conducir la acción de la insulina. La capacidad del retículo endoplasmático de
las células beta para procesar toda la proinsulina y la insulina se ve
comprometida, una condición conocida como estrés del retículo endoplásmico (RE)
y las proteínas mal plegadas se acumulan.
El estrés ER inicia una ruta de señal
llamada respuesta de proteína defectuosa (UPR), una vía destinada a salvar la
célula de la producción de proteínas defectuosas. UPR consiste en varios pasos.
En primer lugar, se inhibe la síntesis proteica general para evitar que entren
más proteínas mal formadas en el retículo endoplásmico. En segundo lugar, se
estimula la síntesis de chaperonas. Las proteínas chaperonas ayudan a plegar
otras proteínas. En tercer lugar, las proteínas mal plegadas se eliminan y
posteriormente se envían al proteosoma para su destrucción. Finalmente, si la
respuesta descrita anteriormente no logra aliviar el estrés del retículo
endoplásmico, se desencadena la muerte celular programada, que en última
instancia conduce a la muerte de células beta como tejido completo y a la
diabetes tipo 2 en toda regla.
En este orden de ideas, la resistencia a
la insulina es solo el gatillo de la diabetes, en donde se genera la
destrucción del tejido que se encarga de la síntesis de insulina de manera
permanente. Aunque la respuesta homeostática reverse la resistencia a la
insulina en los tejidos, la muerte permanente del tejido de células beta en el
páncreas impedirá la producción de insulina, por lo que el paciente deberá
consumir insulina externa para mantener la normalidad de sus actividades.
11.10 Prevención
No existe una medida preventiva conocida
para la diabetes tipo 1, dado que es de índole genético. La diabetes tipo 2,
que representa el 85-90% de todos los casos, a menudo puede prevenirse o
retrasarse manteniendo un peso corporal normal, realizando actividad física y
consumiendo una dieta saludable. Los niveles más altos de actividad física (más
de 90 minutos por día) reducen el riesgo de diabetes en un 28%. Los cambios
dietéticos conocidos por ser eficaces para ayudar a prevenir la diabetes
incluyen mantener una dieta rica en granos enteros y fibra, y elegir grasas
buenas, como las grasas poliinsaturadas que se encuentran en las nueces,
aceites vegetales y pescado. Limitar las bebidas azucaradas y comer menos carne
roja y otras fuentes de grasas saturadas también puede ayudar a prevenir la
diabetes. El tabaquismo también se asocia con un mayor riesgo de diabetes y sus
complicaciones, por lo que dejar de fumar también puede ser una medida
preventiva importante.
La relación entre la diabetes tipo 2 y los
principales factores de riesgo modificables (exceso de peso, dieta no
saludable, inactividad física y consumo de tabaco) es similar en todas las
regiones del mundo. Cada vez hay más pruebas de que los determinantes
subyacentes de la diabetes son un reflejo de las principales fuerzas que impulsan
los cambios sociales, económicos y culturales: la globalización, la
urbanización, el envejecimiento de la población y el entorno general de la
política de salud.
11.11 Tratamiento
La diabetes mellitus es una
enfermedad crónica, para la cual no se conoce una cura, excepto en situaciones
muy específicas. El tratamiento se concentra en mantener los niveles de azúcar
en la sangre lo más cerca de lo normal, sin causar niveles bajos de azúcar en
la sangre. Esto generalmente se puede lograr con una dieta saludable,
ejercicio, pérdida de peso y el uso de medicamentos adecuados (insulina en el
caso de la diabetes tipo 1, medicamentos orales, así como posiblemente
insulina, en la diabetes tipo 2).
Es importante conocer la enfermedad y
participar activamente en el tratamiento, ya que las complicaciones son mucho
menos comunes y menos severas en las personas que tienen niveles de azúcar en
la sangre bien controlados. También se presta atención a otros problemas de
salud que pueden acelerar los efectos negativos de la diabetes. Estos incluyen
el tabaquismo, los niveles elevados de colesterol, la obesidad, la presión
arterial alta y la falta de ejercicio regular.
Referencias
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